Учёные разработали методику, позволяющую получить наноструктурные материалы на основе диоксида циркония с большим количеством кислородных вакансий — участков, вовлечённых в проведение тока. Обычно при комнатной температуре диоксид циркония содержит мало кислородных вакансий, но авторам удалось управлять их числом благодаря синтезу в вакуумной камере в плазме аргона и кислорода при очень низком давлении — в десятки тысяч раз меньше атмосферного. Синтезированные материалы перспективны в электронике как элементы запоминающих устройств. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда.
Диоксид циркония в виде тонких плёнок или наночастиц рассматривается в качестве нового материала для применения в электронике, например в устройствах энергонезависимой памяти (мемристорах), а также в транзисторах — элементах для усиления и преобразования электрических сигналов. Он хорошо совместим с кремнием, кроме того, его способностью проводить ток можно управлять, а это актуально для записи и хранения больших объёмов информации. Последнее свойство обеспечивается тем, что в виде тонких плёнок или наночастиц диоксид циркония несёт большое количество кислородных вакансий — участков, в которых в кристаллической решётке «не хватает» атома кислорода и которые при определённом воздействии (высоком напряжении) могут вовлекаться в проведение тока. Однако широко диоксид циркония в чистом виде в электронике пока не используется из-за того, что получить материал с большим количеством кислородных вакансий сложно. Так, например, он стабилен при температурах выше 1100 °С, когда кристаллическая решётка диоксида циркония принимает так называемую тетрагональную фазу. При понижении температуры до комнатной материал возвращается в состояние с малым числом кислородных вакансий.
Учёные из Федерального исследовательского центра «Красноярский научный центр СО РАН» (Красноярск) и Сибирского федерального университета (Красноярск) разработали технологию для эффективного получения оксида циркония, стабильно поддерживающего тетрагональную фазу при комнатной температуре. Образцы синтезировали в плазме инертного газа аргона в вакуумной камере при разном давлении — от 500 до десятков тысяч раз меньше атмосферного. Также в реактор подавали кислород. Чем меньше было создаваемое давление, тем более разреженным получался воздух в камере и тем меньше в ней была концентрация кислорода.
Фазовый состав сформированных частиц авторы исследовали с помощью рентгеноструктурного анализа. Этот метод основан на том, что в зависимости от своей атомной структуры кристаллы по-разному отражают направленный на них рентгеновский луч. Оказалось, что с уменьшением давления в вакуумной камере и, соответственно, со снижением концентрации кислорода доля тетрагональной фазы возрастала с 11% до 53%. Значит, в этом случае в оксиде циркония было больше свободных участков для перемещения носителей заряда, которые обеспечивают протекание тока в оксиде. Таким образом, учёные смогли получить устойчивый проводящий элемент. Разработанная технология позволит синтезировать нужную фазу оксида циркония в промышленных масштабах.
«В своей работе мы исследовали материал, перспективный для энергонезависимых запоминающих электронных устройств нового поколения. В целом требования к таким материалам известны — они должны быть способны “переключаться” между состоянием, в котором не способны проводить ток, и тем, в котором могут это делать. Поэтому важно было изучить физические процессы на этапе получения образцов, которые приводят к удовлетворению этих требований. В дальнейшем мы планируем подробно исследовать, как присутствие кислородных вакансий сказывается на электрофизических и магнитных свойствах диоксида циркония»,— рассказывает участник проекта Леонид Фёдоров, научный сотрудник Красноярского научного центра СО РАН.
